《信息科学技术导论》课件第2章 数字技术基础.pptx
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1、第2章第2章第2章 数字技术基础2.1 2.1 数字系统概述数字系统概述2.2 2.2 模拟信号数字化模拟信号数字化2.3 2.3 数字通信系统模型数字通信系统模型2.4 2.4 压缩编码压缩编码2.5 2.5 纠错编码纠错编码2.6 2.6 加密编码加密编码2 2.7.7 调制解调调制解调2.8 2.8 扩频技术扩频技术2 2.9.9 数字系统设计与实现数字系统设计与实现第2章第2章 教学提示在信息科学技术发展的今天,信息获取、信息处理、信息传输的基本上都是数字信号。本章简单介绍数字技术基础,要求学生了解处理数字信息所涉及的主要关键技术,重点是模拟/数字转换技术、调制解调技术、数字系统设计与
2、实现以及数字通信系统中的主要编码技术压缩编码、纠错编码、加密编码、扩频编码等。第2章第2章2.1.1 数字信息的引入信息化时代,信息的主要表现形式为数字信息。手机、电视、网络上传输的都是数字形式的信息。我们每天都需要:获取信息、接收信息、传递信息、存储信息、处理信息和利用信息等。2.1 数字系统概述第2章第2章1.信息的概念在自然界中的信息,主要是模拟形式的。例如,声音信息、光学信息、温度信息。20世纪后半个叶以来,随着计算机技术、微电子技术、无线电技术、传感器技术、新材料技术、多媒体技术、航空航天技术,特别是以计算机为主体的互联网技术的发展,人类进入了信息时代。第2章第2章2.信息的含义信息
3、是一个很抽象、很复杂的概念,它最早出现于通信领域。信息是人们对客观存在的一切事物的反映,是通过载体所发出的消息、情报、指令、数据及信号中所包含的一切可传递、可交换的知识内容。或者说就是传递的未知的新知识。实际上,在通信系统中,例如,广播、电视、导航等系统中,传输的就是各种各样的信息。而在不同的系统中所传输的信息有着不同的表现形式,这些形式必须可以被人的感官所接受。第2章第2章3.信息与消息的关系消息,描述了客观物质世界的某一种运动状态或者存在形式。消息中包含了信息,消息是信息的载体,信息是消息的内在形式。信息和消息的关系具有以下特点:信息和消息的关系具有以下特点:(1)同一个信息可以用不同的消
4、息来表述。(2)同一则消息也可以载荷不同的信息,它可能包含非常丰富的信息,也可能包含很少的信息,甚至不包含信息。(3)消息与信息是既有联系又有区别的。第2章第2章4.信息与信号的关系信息也不等同于信号。在各种实际的通信系统中,为了对消息进行正常的传输和处理,往往要对消息作一些变换,把它们变成适合信道传输的物理量,这些物理量一般称之为信号,例如,光信号、电信号等。信号中携带着消息,它是消息的运载工具。例如,我们通过手机发送一条短信(短消息)给朋友。第2章正弦波信号正弦波信号心电图信号心电图信号颈部核磁共振成像颈部核磁共振成像第2章第2章 通信系统的一般模型第2章第2章在通信过程中,要经过一些变换
5、。在发射信号时,需要以下变换:(1)编码:需要把对应的短信的汉字变换成数字信号,比如,在手机通信中经常使用的是信源编码、信道编码、加密编码。(2)调制:无线信道中,需要经过调制,把原来的数字信号变成射频调制信号,以便在信道中传输。在接收信号时,需要以下反变换:(1)解调:在接收端通过调制的反变换解调,可以把接收到的射频调制信号恢复成数字信号。(2)解码:通过编码的反变换解码,包括:解密解码、信道解码、信源解码,可以把数字信号恢复为发送端传输的信号。第2章第2章5.信息的定义1948年,信息论之父香农,发表著名的论文通信的数学理论,奠定了信息理论的基础。信息是对事物运动状态或存在方式的不确定性的
6、描述。物质、能量和信息是物质世界的三大支柱,是科学历史上三个最重要的基本概念。1948年,信息论之父香农,发表了著名的论文通信的数学理论,奠定了信息理论的基础。信息是对事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。物质、能量和信息是物质世界的三大支柱,是科学历史上三个最重要的基本概念。第2章第2章6.信息的特征(1)社会性社会性(2)传递性传递性(3)共享性共享性(4)不灭性不灭性(5)时效性时效性(6)能动性能动性(7)客观性客观性第2章第2章2.1.2 数字技术的概念数字技术的概念人们从自然界获得的消息,有多种表达形式:语言、文字、图片、视频等。在处理这些消息时,它们需要被转换成系统中的信号。1
7、.信号的分类(1)连续时间信号:信号在时间上是连续的 (2)离散时间信号:时间上是离散的又称为序列。(3)模拟信号:连续时间信号的一种特例,时间是连续的,幅值也是连续的。(4)数字信号:如果时间上是离散的,幅值是量化的,则这种信号称为数字信号。第2章第2章2.系统的分类处理信号的物理设备称为系统处理信号的物理设备称为系统。常可以分为以下几类:(1)模拟系统:如果系统处理的是模拟信号,输入与输出都是连续时间、连续幅值信号,则该系统称为模拟系统。(2)连续时间系统:如果系统处理的是连续时间信号,输入与输出都是连续时间信号,则该系统称为连续时间系统。(3)离散时间系统:如果系统处理的是离散时间信号,
8、输入与输出都是离散时间信号,则该系统称为离散时间系统。(4)数字系统:如果系统处理的是数字信号,输入与输出都是数字信号,则该系统称为数字系统。第2章第2章6.模拟信号的数字化处理由于许多科学与工程问题中,需要处理的是模拟信号,所以,首先需要讨论模拟信号的数字化处理:(1)把模拟信号变换为数字信号;(2)用数字技术对数字信号进行处理;(3)将处理后的信号还原成模拟信号。模拟信号的数字化处理系统第2章第2章2.1.3 数字信号处理的优点(1)灵活性强。(2)利用率高。(3)精度高。(4)可靠性强。(5)易于大规模集成。(6)性能指标高。第2章第2章2.1.4 数字通信系统的优点(1)频谱利用率高,
9、有利于提高系统容量。(2)能提供多种业务服务,提高通信系统的通用性。(3)抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强。(4)能实现更有效、灵活的网络管理和控制。(5)便于实现通信的安全保密。(6)可降低设备成本以及减小用户手机的体积和重量。第2章第2章2.2 模拟信号数字化 2.2.1 模/数变换的概念自然界的许多信息都是模拟量。若要利用数字通信系统传输模拟信号,一般需以下三个步骤:(1)把模拟信号数字化,即模/数(A/D)变换;(2)进行数字方式传输;(3)把数字信号还原为模拟信号,即数/模(D/A)变换。由于电话业务在通信中占有最大的业务量,所以,我们以语音编码为例,介绍模拟信号数字化的有关概念。
10、第2章第2章2.2.2 模拟信号数字化方法模拟信号数字化的方法大致可分为两类:(1)波形编码。波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序列,比特率通常在16 kb/s64 kb/s范围内,接收端重建(恢复)信号的质量好。(2)参量编码。参量编码是利用信号处理技术,提取语音信号的特征参量,再变换成数字代码,其比特率在16 kb/s以下,但接收端重建信号的质量不够好。脉码调制的模拟信号的数字传输系统第2章第2章2.2.3 模拟信号的抽样1.抽样的概念 抽样,就是把在时间上连续的模拟信号,变成一系列时间上离散的抽样值的过程。这是模/数变换的第一步。为了重建原模拟信号,抽样需要满足抽样定理。2.抽样定理
11、对一个频带有限的、时间连续的模拟信号抽样,当抽样速率达到一定数值时,那么根据它的抽样值就能重建原信号。即,若要传输模拟信号,不一定要传输模拟信号本身,只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。抽样定理是模拟信号数字化的理论依据。第2章第2章3.抽样的分类(1)根据抽样信号的通带类型,可以分为低通抽样和带通抽样。低通抽样对应于低通信号,带通抽样对应于带通信号。(2)根据用来抽样的脉冲序列的间隔不同,可以分为均匀抽样和非均匀抽样。均匀抽样对应于等间隔脉冲序列,非均匀抽样对应于不等间隔脉冲序列。(3)根据抽样的脉冲序列的类型不同,又可以分为理想抽样和实际抽样。理想抽样对应于冲激序列,实际抽样对应于非冲激序
12、列。第2章第2章4.模拟信号的抽样过程 模拟信号的抽样过程(a)为模拟信号,(c)为周期性单位冲激脉冲,模拟信号与冲激脉冲相乘,得到抽样信号(e)。(b)(d)(f)分别为其频谱图第2章第2章 频谱重叠 奈奎斯特速率即最低抽样速率。恢复原信号的条件是:抽样频率应不小于信号的最高频率的两倍。否则,就会出现频谱混叠。第2章第2章2.2.4 脉冲调制脉冲调制就是以时间上离散的脉冲串作为载波,用模拟基带信号m(t)去控制脉冲串的某个参数,使其按m(t)的规律变化的调制方式。1.脉冲调制的分类通常,按基带信号改变脉冲参量(幅度、宽度和相位)的不同,把脉冲调制分为以下三种:(1)脉冲振幅调制(PAM)。(
13、2)脉冲宽度调制(PDM)。(3)脉冲相位调制(PPM)。第2章第2章图2-6 三种不同的脉冲调制的波形第2章第2章2.脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)简称脉码调制,它是一种用一组二进制数字代码来代替连续信号的抽样值,从而实现通信的方式。由于这种通信方式抗干扰能力强,在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中均获得了极为广泛的应用。脉冲编码调制是一种最典型的语音信号数字化的波形编码方式。首先,在发送端进行波形编码(主要包括抽样、量化和编码三个过程),把模拟信号变换为二进制码组。编码后的PCM码组的数字传输方式可以是直接的基带传输,也可以是对微波、光波等载波调制后的调制传输。在接收端,二进制码组经译
14、码后还原为量化后的样值脉冲序列,然后经低通滤波器滤除高频分量,便可得到重建信号。第2章第2章 脉冲编码调制系统原理第2章第2章2.2.5 抽样信号的量化与编码模拟信号抽样以后,变成了时间离散的信号,但还是模拟信号。这个抽样信号必须经过量化和编码,才能变成数字信号。1.量化利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。在信号传输之前,需要把取值无限的抽样值划分成有限的M个离散电平,此电平被称为量化电平。2.编码把量化后的信号电平值变换成二进制码组的过程称为编码,其逆过程称为解码或译码。第2章第2章图2-8 抽样信号的量化与编码第2章第2章模拟信息源输出的模拟信号m(t)经抽样和量化
15、后得到的输出脉冲序列是一个M进制(一般常用128或256)的多电平数字信号,如果直接传输的话,抗噪声性能很差,因此还要经过编码器转换成二进制数字信号(PCM信号)后,再经数字信道进行传输。在接收端,二进制码组经过译码器还原为M进制的量化信号,再经低通滤波器恢复出原模拟基带信号。第2章第2章2.3数字通信系统模型第2章第2章 信源是消息的产生地,其作用是把各种消息转换成原始电信号,称之为消息信号或基带信号。信源编码是对信源输出的消息进行适当的变换和处理,把信息变换成信号,目的是为了提高信息传输的效率,使传输更为经济、有效。信道编码是为了提高信息传输的可靠性,对消息进行的变换和处理;也就是纠错编码
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